Multiscale modeling of the fracture behavior of glassy polymers across the atomistic and continuum scale

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-09-11
Issue Year
2023
Authors
Zhao, Wuyang
Editor
Abstract

Polymer materials started to play an important role in engineering applications in the last century. Simultaneously, polymer science has been established and further developed based on experiments with polymers. In the past decades, molecular dynamics (MD) simulations have become a powerful tool to study the mechanics of these materials as a complement to experiments and thus to provide deeper insights at atomistic and molecular levels. Although MD simulations have contributed a lot to reduce the gaps between theory and experimental observations in the field of polymer mechanics, they are limited to small scales due to their computational cost. Thus, they are only appropriate for problems that eventually represent a continuum point where large-scale heterogeneities must be neglected. For problems with heterogeneous materials such as polymer-based nanocomposites or specimens subject to specific loading like fracture, a much larger, typically computationally prohibitive amount of material is to be considered in the simulations. This can be overcome by coupling MD simulations to continuum mechanics, where the molecular resolution confined to specific regions are exposed, e.g., to high loads. The remaining parts, in turn, are described at continuum resolution with less computational cost. Hence, this thesis aims to develop an atomistic-continuum coupling method for fracture simulations of glassy polymers.

The method presented in this thesis is based on the Capriccio framework designed for multiscale simulations of amorphous polymers, coupling a continuum and an MD domain in an overlapping region via energy blending together with appropriate deformation constraints. The continuum domain employs a constitutive model to resemble the macroscopic mechanical behavior of the material represented by the MD simulations. The original Capriccio method uses an elastic constitutive model and is thus limited to the elastic regime of polymers under small deformation. For fracture simulations, however, the Capriccio method is to be extended to inelasticity. This can be implemented by incorporating an appropriate constitutive model into the continuum domain, which is identified based on pure MD simulations.

The present thesis uses coarse-grained (CG) atactic polystyrene (PS) as a sample material. At first, CG MD simulations are conducted in uniaxial tension tests at different temperatures with different strain rates at large strains, where the thermal history-dependent mechanical behavior and time-temperature superposition at large deformations are investigated. With appropriate thermal history, the strain-softening effects can be reduced. Based on this, a simple isothermal viscoelastic-viscoplastic constitutive model with only 11 parameters is proposed. Incorporating this model into the continuum domain, the inelastic extension of the Capriccio method is able to simulate glassy polymers at large deformations. Since this constitutive model is rate-dependent, an appropriate temporal coupling between the MD and continuum domain has to be introduced. Furthermore, the parameters for the coupling are thoroughly studied based on multiscale simulations. Finally, two examples of fracture simulations in mode-I and three-point bending tests are presented. Although this method is developed based on the CG PS, transferability to other polymer materials and their nanocomposites is expected.

Abstract

Polymermaterialien begannen im letzten Jahrhundert, eine wichtige Rolle in technischen Anwendungen zu spielen. Gleichzeitig wurde die Polymerwissenschaft auf der Grundlage von Polymerexperimenten begründet und weiterentwickelt. In den letzten Jahrzehnten haben sich Molekulardynamiksimulationen (MD) zu einem leistungsfähigen Werkzeug entwickelt, um die Mechanik dieser Materialien als Ergänzung zu Experimenten zu untersuchen und somit tiefere Einblicke auf atomistischer und molekularer Ebene zu ermöglichen. Obwohl MD-Simulationen viel dazu beigetragen haben, die Lücken zwischen Theorie und experimentellen Beobachtungen auf dem Gebiet der Polymermechanik zu schließen, sind sie aufgrund des Rechenaufwands auf kleine Skalen beschränkt. Daher sind sie nur für Probleme geeignet, die de facto einen Kontinuumspunkt darstellen, in dem höherskalige Heterogenitäten vernachlässigt werden müssen. Bei Problemen mit heterogenen Materialien wie polymerbasierten Nanokompositen oder rissbehafteten Proben, ist ein viel größerer, typischerweise rechnerisch nicht erfassbarer Materialumfang in den Simulationen zu berücksichtigen. Dem kann durch die Kopplung von MD-Simulationen mit der Kontinuumsmechanik begegnet werden, bei der die molekulare Auflösung auf bestimmte Regionen beschränkt ist, die z. B. hohen Belastungen ausgesetzt sind. Die verbleibenden Bereiche wiederum werden mit Kontinuumsauflösung mit geringerem Rechenaufwand beschrieben. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, eine atomistisch-kontinuierliche Kopplungsmethode für Bruchsimulationen von glasartigen Polymeren zu entwickeln.

Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren basiert auf der Capriccio-Methode, die für Multiskalensimulationen von amorphen Polymeren entwickelt wurde und ein Kontinuum und ein MD-Gebiet in einem überlappenden Bereich durch eine gegenseitige Überblendung der Energien zusammen mit kinematischen Koppelbedingungen verknüpft. Das Kontinuum verwendet ein Materialmodell, welches das makroskopische Verhalten des durch die MD-Simulationen beschriebenen Materials möglichst genau abbildet. Die ursprüngliche Capriccio-Methode verwendet ein elastisches Materialmodell und ist daher auf den elastischen Bereich von Polymeren unter geringer Verformung beschränkt. Für Bruchsimulationen soll sie jedoch auf Inelastizität erweitert werden. Dies kann erreicht werden durch ein geeignetes Materialmodell, welches basierend auf reinen MD-Simulationen bestimmt wird.

Die vorliegende Arbeit verwendet mittels ``coarse graining'' (CG) vergröbert aufgelöstes ataktisches Polystyrol als beispielhaftes Polymer. Zunächst werden MD-Simulationen als einachsige Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen mit verschiedenen Dehnungsraten bei großen Dehnungen durchgeführt, wobei temperatur- und belastungsabhängige mechanische Verhalten sowie die Zeit-Temperatur-Superposition bei großen Deformationen untersucht werden. Bei Wahl einer geeigneten temperaturabhängigen Belastungshistorie können Entfestigungseffekte reduziert werden, worauf aufbauend ein einfaches, isothermes viskoelastisch-viskoplastisches (VE-VP) Materialmodell mit 11 Parametern vorgeschlagen wird. Durch die Einbeziehung dieses Modells in das Kontinuumsgebiet ist die inelastische Erweiterung der Capriccio-Methode in der Lage, glasartige Polymere bei großen Verformungen zu simulieren. Da das VE-VP Materialmodell ratenabhängig ist, muss eine geeignete zeitliche Kopplung zwischen dem MD-Gebiet und dem Kontinuum implementiert werden. Darüber hinaus werden die Parameter für die Kopplung anhand von Multiskalensimulationen eingehend untersucht. Abschließend werden zwei Beispiele für Bruchsimulationen in Mode-I und Dreipunkt-Biegeversuchen vorgestellt. Obwohl diese Methode auf Basis von modellhaftem Polystyrol entwickelt wurde, wird eine Übertragbarkeit auf andere Polymermaterialien und deren Nanokomposite erwartet.

Series
Schriftenreihe Technische Mechanik
Series Nr.
49
DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs